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1、沈阳理工大学课程设计1系统设计的目的意义1.1 目的体温是生命活动的一种表现，是人体新陈代谢的一个重要生理参数。体温既有生理学的意义，又有重要的临床意义，是临床诊断的一个重要指标。因此体温计在现在的生活中有极为重要的作用。传统的水银体温计易破碎，存在水银污染的可能，测量时间较长，不易读数，为此设计一种新型的体温计，它的测量精度与传统的水银体温计相媲美的情况下，大大地缩短了测量时间且携带方便，对环境几乎没有污染。它以AT89C51单片机为核心，结合温度传感器，LED模块等外部设备，在软件的控制下，实现智能化的体温测量，不但能够精确测温，而且能够对温度进行逻辑判断，并且通过LED显示器将测量结果显
2、示出来。若温度高于38摄氏度系统就会自动报警，这就意味着所测得的温度异于人体正常温度，引起人们注意。本设计的创新点在于，不仅完成了电子体温计的要求，而且还增加了一个报警装置。当测量者的体温高于人体正常体温时，体温计就会自动报警，人性化设计，为广大客户带来方便。1.2 国内外进展情况中国电子体温计行业最早起源于1998年，以每年高于30%的速度发展至今经历了十多年时间。高达数倍甚至十多倍的利润空间、较低的政策壁垒和技术壁垒吸引了众多企业进入该行业。目前国内涌现了大小80多家电子体温计品牌，既有“欧姆龙”、“婴之侣”、“捷威”等行业领头的外资品牌，也有“华辰”、“世佳”、“华安”、“康复”等迅速发
3、展壮大的国内品牌。今后试图进去该行业的生产厂家将达到50多家。由于行业逐步规范和新一轮电子体温计产品消费热潮的兴起，2009年以后，电子体温计产品行业进入了一个前所未有的高速发展时期，市场的快速发展孕育着巨大的商机。1.3 设计思路本系统可以使用ISIS画出原理图，打开ISIS软件，单击命令窗口filenew design，创建一个default模板，保存名称为“基于AT89C51单片机电子体温计设计.DSN”。执行菜单命令librarypick device/symbol，添加所需元件。本程序中可以使用DS18B20温度传感器，上面有“+”“-”可以模拟外界温度变化。芯片选取74LS137，
4、74LS373。在原理图编辑窗口中放置元件，再单击工具箱中的“原件终端”图标，在对象选择中单击POWER和GROUND放置电源和地。放置好元件后，布好线。左键双击各元件，设置好相应参数，完成电路设计。设计的软件部分在Keil中完成，具体操作步骤在后面仿真步骤中有详细介绍，在此就不一一列出。2系统分析2.1 系统总体设计本系统采用AT89C51单片机、DS18B20温度采集模块和LED显示器共同实现。AT89C51集合了温度传感器、放大器、A/D转换器三者的作用。其中AT89C51通过P1.0和DS18B20进行单总线通信，启动DS18B20温度采集功能并取出转化后的体温数值，最后将体温值显示在
5、外接在P0口与P2口的四位共阴LED上。设计思路如图2.1所示。DS18B20单片机LED显示器蜂鸣器图2.1 设计思路示意图2.2 DS18B20基础知识DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统热敏电阻相比，只需一根线就能直接读出被测温度，并可根据实际需求编程实现912位数字值的读数方式。2.2.1 DS18B20的封装形式及引脚功能DS18B20有三种封装形式：（1） 采用3引脚TO-92的封装形式。（2） 采用6引脚TSOC封装形式。（3） 采用8引脚SOIC封装形式。DS18B20芯片的引脚功能如下：（1） GND：电源地。（2） DQ
6、：数字信号输入/输出端。（3） VDD：外接供电电源输入端。采用寄生电源方式时，该引脚接地。2.2.2 DS18B20的内部结构温度传感器DS18B20的内部结构如图所示，主要由64位ROM、温度传感器及高速缓存器配置寄存器等部分组成，如图2.2所示。VDDDQ64位ROM和单线接口高速缓存器温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器存储与控制逻辑电源检测8位CRC发生器C图2.2 DS18B20内部结构示意图下面对DS18B20的相关部分进行简单的描述。 （1）64位ROM。64位ROM是由厂家用激光刻录一个64位的二进制ROM代码，是该芯片的标志号，如图2.3所示。8位循环冗余检验4
7、8位序列号8位分类编号（10H）图2.3 64位ROM示意图 MSB LSB MSB LSB MSB LSB 8位分类编号表示产品分类编号，DS18B20的分类编号为 10H;48号序列号是一个大于281x1012的十进数编码，作为该芯片的唯一标志代码；8位循环冗余检验为前56位的CRC循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。由于每个芯片的64位ROM代码不同，因此在单总线上能够并挂多个DS18B20进行多点温度实时检测。（2）温度传感器。温度传感器是DS18B20的核心部分，该功能部件可完成对温度的测量。通过软件编程可将-55+125摄氏度范围内的温度值按9位、10位、11位、12位
8、的转换精度进行量化，以上的转换精度都包括一个符号位，因此对应的温度量化值分别为0.5、0.25、0.125、0.0625摄氏度，即最高转换精度为0.0625摄氏度。芯片出厂时默认为12位的转换精度。当接收到温度转换指令（44H）后，开始转换，转换完成后的温度以16位带符号扩展的二进制补码形式表示，存储在高速缓存器RAM的第0、1字节中，二进制数的前5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘上0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘上0.0625即可得到实际温度。（3）高速缓存器。高速缓存器包括一个高速暂存器RAM和一个非易失性
9、可电擦除E2PROM。非易失性可电擦除E2PROM用于存放高温触发器TH、低温触发器TL和配置寄存器中的信息。高速暂存器RAM是一个连续8字节的存储器，前两个字节是测得的温度信息，第1个字节的内容是温度的低8位，第2个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是高温触发器TH、低温触发器TL的易失性复制，第5个字节是配置寄存器的易失性复制，以上字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第6、7、8个字节用于暂时保留为1。（4）配置寄存器。配置寄存器的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时按此寄存器的分辨率将温度转换为相应精度的数值，它是高速缓存器的第5个字节，该字节定义如图2.4所示。
10、图2.4 高速缓存器的第5个字节示意图TMR0R111111TM是测试模块位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时，该位被设置为0，用户不必改动；R1和R0用来设置分辨率；其余5位均固定为1。DS18B20的分辨率设置如表2.1所示。表2.1 DS18B20的分辨率设置R1R0分辨率最大转换时间（ms）009位93.750110位187.51011位3751112位7502.2.3 DS18B20的测温原理DS18B20主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度寄存器等部分组成。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置
11、值。温度系数振荡器用于产生减法计数脉冲信号，其中低温度系数振荡器受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数振荡器受温度的影响较大，随温度的变化，其振荡频率明显改变，产生的信号作为减法计数器2的输入脉冲。减法计数器对脉冲信号进行减法计数。温度寄存器暂存温度数值。在图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，从而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器决定，每次测量前，首先将-55摄氏度多对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55摄氏度所对应的一个基数值。减法计数器1对
12、低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1。之后，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数，如此循环，直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器的值的累加。此时，温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器不断补偿和修正测温过程中的非线性，只要计数门未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器的值达到被测温度值。由于DS18B20是单总线芯片，在系统中若有多个单总线芯片，每个芯片的信息交换则是分时完成的，均有严格的读/写时序要求。系统对DS18B20的操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发
13、ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。2.2.4 DS18B20的ROM命令（1）Read ROM命令代码33H,允许主设备读出DS18B20的64位二进制ROM代码。该命令只适用于总线上存在单只DS18B20。（2）Match ROM命令代码55H，若主线上有多个从设备，使用该命令可以选中某一制定的DS18B20，即可与64位二进制ROM代码完全匹配的DS18B20才能响应其操作。（3）Skip ROM命令代码CCH，在启动所有DS18B20转换之前或系统只有一个DS18B20时，该命令将允许主设备不提供64位二进制ROM代码就使用寄存器操作命令。（4）Search ROM命令代码F0H，
14、当系统初次启动时，主设备可能不知总线上有多少个从设备或者它们的ROM代码，使用该命令可确定系统中的从设备个数及ROM代码。（5）Alarm ROM命令代码ECH，该命令用于鉴别和定位系统中超出程序设定的报警温度值。（6）Write Scratchpad命令代码4EH，允许主设备向DS18B20的寄存器写入两个字节的数据，其中第一个字节写入TH中，第二个字节写入TL中。可以在任何时刻发出复位命令中止数据的写入。（7）Read Scratchpad命令代码BEH，允许主设备读取暂存器中的内容。从第一个字节开始，直到CRC读完第九个字节。也可以在任何时刻发出复位命令中止数据的读取操作。（8）Copy
15、 Scratchpad命令代码48H，将高温触发器TH和低温触发器TL中的字节复制到非易失性E2PROM。若主机在该命令之后又发出读操作，而DS18B20又忙于将暂存器的内容复制到E2PROM时，DS18B20就会输出一个“0”。若复制结束，则DS18B20输出一个“1”。如果使用寄生电源，则主设备发出该命令后，立即发出强上拉并至少保持10ms以上的时间。（9）Convert T命令代码44H，启动一次温度转换。若主机在该命令之后又发出其他操作，而DS18B20又忙于温度转换，DS18B20就会输出一个“0”。若转换结束，则DS18B20输出一个“1”。如果使用寄生电源，则主设备发出该命令之后，立即发出强上拉并至少保持500ms以上的时间。（10）Recall E2命令代码B8H，将高温触发器TH和低温触发器TL中的字节从E2ROM中复制回到暂存器中。该操作是在DS18B20上电时自动执行，若执行该命令后又发出读操作，DS18B20会输出温度转换忙标志：0为忙，1完成
